Датчик газового аналізу та система газового аналізу з його використанням
Власники патенту UA 2413210:
Винахід може бути використаний для визначення якісного та кількісного складу сумішей газів. Датчик датчика газового аналізу (ГА) згідно винаходу містить підкладку, напівпровідникову плівку, що має можливість контакту з газовою атмосферою, на поверхні якої розташовані перший і другий електроди, а на поверхні підкладки розташований третій електрод, з можливістю його підключення до зовнішнього електричного ланцюга, на якому розташована сегнетоелектрична плівка, однією поверхнею, що контактує з третім електродом, а другою - з напівпровідниковою плівкою. Система газового аналізу (СГА) згідно винаходу містить датчик ГА, блок обробки інформації, керований джерело напруги, комутатор та контролер. Третій електрод датчика ГА приєднаний до першого виходу керованого джерела напруги, до другого виходу якого приєднаний перший вхід комутатора, до другого і третього входів якого приєднані перший і другий електроди відповідно, перший і другий входи комутатора з'єднані відповідно з першим і другим виходами блоку обробки інформації, вхід якого з'єднаний з третім виходом контролера, перший вихід якого з'єднаний з третім входом комутатора, а другий вихід контролера з'єднаний з керованим джерелом джерела напруги. Винахід забезпечує можливість зміни чутливості датчика ГА та СГА у процесі експлуатації. 2 н.п. ф-ли, 1 іл.
Винаходи належать до конструкції напівпровідникових систем газового аналізу (СДА) для визначення якісного та кількісного складу сумішей газів. Найбільше ефективно їх використовувати при мікроелектронному виконанні основних елементів конструкції.
СДА може бути виконана на основі датчиківгазового аналізу (ГА), що вимірюють фізичну чи фізико-хімічну характеристику газової суміші або її окремих компонентів.
У такому датчику значення чутливості встановлюється у процесі виготовлення і є незмінним у його експлуатації.
Технічним завданням розробки датчика ГА є зміна значення чутливості датчика у його експлуатації.
Вирішення технічної задачі полягає в тому, що в конструкцію датчика газового аналізу, що включає підкладку, напівпровідникову плівку, що має можливість контакту з газовою атмосферою, на поверхні якої розташовані перший і другий електроди, на поверхні підкладки розташований третій електрод, з можливістю його підключення до зовнішньої електричної ланцюга, на якому розташована сегнетоелектрична плівка, однією поверхнею, що контактує з третім електродом, а другою - з напівпровідникової плівкою.
Причинно-наслідковий зв'язок внесених змін із досягнутим технічним результатом полягає в наступному. Вбудований потенційний бар'єр на межі розділу напівпровідник - поляризований сегнетоелектрик призводить до можливості варіювання величиною концентрації носіїв заряду в приповерхневій області напівпровідника шляхом зміни величини залишкової поляризації сегнетоелектрика, що призводить до зміни чутливості датчика. При взаємодії молекул аналізованого газу з поверхнею напівпровідникової плівки відбувається заміщення молекул кисню на молекули аналізованого газу, що призводить до звільнення носіїв заряду в напівпровіднику, що знижує електричний опір напівпровідникового шару. Це дозволяє судити про значення концентрації аналізованого газу атмосфері.
Датчик може бути виготовлений шляхомпослідовного нанесення на підкладку плівок металу (електрод), сегнетоелектрика та напівпровідника з подальшим формуванням металевих електродів на ділянках напівпровідникової плівки у вакуумі за допомогою магнетронної установки. При цьому наносять плівку сегнетоелектрика з подальшою поляризацією, поверхневий заряд якої забезпечує збіднення носіями заряду приповерхневої області шару напівпровідника. Наприклад, плівки сегнетоелектрика цирконату-титанату свинцю наносять методом ВЧ-магнетронного розпилення керамічної мішені РbZrxTi1-xO3 при 120°C з подальшим відпалом в атмосфері, що містить кисень при 500°C. Поляризація плівки сегнетоелектрика проводиться наступним додатком до нього електричного поля. Плівка напівпровідника, наприклад, може бути отримана методом катодного розпилення олов'яної мішені в кисневмісному середовищі при 120°С.
Для виконання нового виміру потрібне первинне завдання чутливості датчика. Цим процесом керує СДА.
Специфіка використовуваного датчика обумовлює включення до СГА, що синтезується для роботи з ним, наступних елементів конструкції: джерела живлення ланцюга обнулення датчика, комутатора для вибору режимів вимірювання та обнулення, блоку обробки інформації та контролера.
Однак дана схема не дозволяє здійснювати вимірювання газового складу, так як її чутливий елемент сприймає лише інтенсивність оптичного випромінювання, що падає.
Прототипна СГА містить датчик ГА, що включає підкладку та газочутливу напівпровідникову плівку, розташовану на підкладці з можливістю контакту напівпровідникової плівки з газовою атмосферою, та електроди для підключення ділянок напівпровідникової плівки до зовнішнього електричного ланцюга, що включає блок обробки інформації, приєднанийдо електродів плівки для реєстрації зміни опору газочутливого елемента датчика
Використання прототипної СГА дозволяє проводити газовий аналіз лише за фіксованого значення чутливості.
Технічним завданням є можливість зміни чутливості СГА.
Вирішення зазначеної задачі полягає в тому, що в СГА, що містить датчик газового аналізу та блок обробки інформації, датчик газового аналізу включає підкладку, три електроди, напівпровідникову плівку, що має можливість контакту з газовою атмосферою, на поверхні якої розташовані перший і другий електроди, при цьому третій електрод розташований на підкладці з можливістю його підключення до зовнішнього електричного ланцюга, на ньому розташована сегнетоелектрична плівка, однією поверхнею, що контактує з третім електродом, а другий - з напівпровідниковою плівкою, в систему газового аналізу додатково введені кероване джерело напруги, комутатор і контролер, при цьому третій електрод приєднаний до першого виходу керованого джерела напруги, до другого виходу якого приєднаний перший вхід комутатора, до другого і третього входів якого приєднані перший і другий електроди відповідно, перший і другий входи комутатора з'єднані відповідно з першим і другим виходами блоку обробки інформації, вхід якого з'єднаний з третім виходом контролера, перший вихід якого з'єднаний з третім входом комутатора, а другий вихід контролера з'єднаний із входом керованого джерела напруги.
У датчик ГА і СДА з його використанням внесені такі зміни:
- газочутлива напівпровідникова плівка замінена на газочутливу сендвіч-структуру напівпровідникової та сегнетоелектричної плівок:
-сегнетоелектрична плівка має електроди для підключення до зовнішнього ланцюга;
- у зовнішньому електричному ланцюзі додатково встановлено комутатор;
- ділянки напівпровідникової плівки підключені до блоку обробки інформації через комутатор;
- як кероване джерело напруги використано кероване джерело змінної напруги;
- другий вихід джерела керованого джерела напруги підключений через комутатор електродів напівпровідникової плівки з утворенням ланцюга обнулення датчика.
Для автоматизації перемикань режимів вимірювання та обнулення зовнішній електричний ланцюг додатково містить контролер, виходи якого підключені до входів блоку обробки інформації, комутатора і керованого джерела напруги відповідно.
У пропонованій СГА як комутатор при ручному управлінні може використовуватися ключ управління, а при автоматичному керуванні режимами перемикання - відповідна мікросхема, контролер. Контролер може бути виконаний на базі відповідної мікросхеми, таймера, імпульсного ступеневого переривника і т.п.
На кресленні наведено схему СГА з пропонованим датчиком ГА.
Датчик ГА містить підкладку 1, газочутливу сендвіч-структуру, що включає напівпровідникову плівку 2 і сегнетоэлектрическую плівку 3, розташовані на підкладці 1 з можливістю контакту напівпровідникової плівки 2 з газовою атмосферою, і електроди 4, 5 і 6 напівприєднаних до сег плівки 2 відповідно для підключення датчика до зовнішнього електричного кола.
Система газового аналізу, що містить датчик газового аналізу, що включає підкладку 1, три електроди 4, 5, 6, напівпровідникову плівку 2, що має можливість контакту згазової атмосферою, на поверхні якої розташовані перший і другий електроди 5 і 6, при цьому третій електрод 4 розташований на підкладці 1 з можливістю його підключення до зовнішнього електричного ланцюга, на ньому розташована сегнетоелектрична плівка 3 однією поверхнею контактує з третім електродом 4 а другий - з напівпровідникової плівкою 2, при цьому третій електрод 4 приєднаний до першого виходу керованого джерела напруги 9, до другого виходу якого приєднаний перший вихід комутатора 8, до другого і третього входів якого приєднаний перший 5 і другий електроди 6 відповідно, перший і другий входи комутатора 8 з'єднані відповідно з першим і другим виходами блоку обробки інформації 7, вхід якого з'єднаний з третім виходом контролера 10, перший вихід якого з'єднаний з третім входом комутатора 8 а другий вихід контролера 10 з'єднаний з входом керованого джерела напруги 9.
СДА працює в такий спосіб.
У режимі обнулення датчика електроди 5 і 6 замкнуті за допомогою комутатора 8. При цьому керований джерело напруги 9 виявляється включеним в ланцюг подачі змінної напруги до плівок напівпровідника і сегнетоелектрика, що викликає звільнення носіїв зарядів, захоплених в напівпровіднику поблизу межі розділу сегнето. Після обнулення датчика керований джерело напруги 9 подає імпульс напруги плівки напівпровідника і сегнетоэлектрики, відповідний значенню чутливості датчика.
У режимі вимірювання під впливом аналізованого газу на плівку 2 напівпровідника у ньому відбувається звільнення носіїв заряду, що підвищують електропровідність напівпровідникового шару. Це дозволяє судити про величину концентрації аналізованого газу за значенням опоруміж електродами 5 і напівпровідникової 6 плівки 2 за допомогою блоку 7 обробки інформації.
У режимах обнулення та вимірювання контролер 10, виходи якого підключені до керуючих входів блоку 7 обробки інформації, комутатора 8 і джерела живлення 9 відповідно, видає команди, відповідні режиму роботи СГА.
Таким чином, розроблені датчик ГА та СГА з його використанням дозволяють реалізувати можливість зміни чутливості СДА для використання у різних галузях техніки.
1. Датчик газового аналізу, що включає підкладку, напівпровідникову плівку, що має можливість контакту з газовою атмосферою, на поверхні якої розташовані перший і другий електроди, який відрізняється тим, що на поверхні підкладки розташований третій електрод з можливістю його підключення до зовнішнього електричного ланцюга, на якому розташована сегнетоелектрична плівка, однією поверхнею, що контактує з третім електродом, а другою - з напівпровідниковою плівкою.
2. Система газового аналізу, що містить датчик газового аналізу та блок обробки інформації, що відрізняється тим, що датчик газового аналізу включає підкладку, три електроди, напівпровідникову плівку, що має можливість контакту з газовою атмосферою, на поверхні якої розташовані перший і другий електроди, при цьому третій електрод розташований на підкладці з можливістю його підключення до зовнішнього електричного ланцюга, на ньому розташована сегнетоелектрична плівка, однією поверхнею, що контактує з третім електродом, а другою - з напівпровідниковою плівкою, в систему газового аналізу додатково введені кероване джерело напруги, комутатор і контролер, при цьому третій електрод приєднаний до першого виходу керованого джерела напруги, до другого виходу якого приєднаноперший вхід комутатора, до другого і третього входів якого приєднані перший і другий електроди відповідно, перший і другий входи комутатора з'єднані відповідно з першим і другим виходами блоку обробки інформації, вхід якого з'єднаний з третім виходом контролера, перший вихід якого з'єднаний з третім входом комутатора, а другий вихід контролера з'єднаний із входом керованого джерела напруги.